Niederdimensionale Halbleitersysteme I

Donat J. As Universität Paderborn, Department Physik

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P8.2.10 Tel.: 05251-60-5838

SS 2013

Inhalt

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Teil I: • Einleitung • Herstellung niederdimensionaler Systeme • Heterostrukturgrenzen • Optische Interbandübergänge • Exzitonen • Intersubbandübergänge - Quantumkaskadenlaser • Quantumdrähte und Quantumpunkte Teil II: • Hochbewegliche Ladungsträgersysteme (HEMT) • Tunnelstrukturen (RTD) • Ballistischer Transport • Coulomb Blockade (SET) • Intrabandübergänge • Exzitonen in QDs • Optische Übergänge in QDs • Kohärente eigenschaften von QDs

Niederdimensionale Systeme

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1.1 Definition des Begriffs „niedrig-dimensional“

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Ladungsträgersysteme sind dann niedrig-dimensional, wenn deren Bewegung in mindestens einer Raum-richtung eingeschränkt ist.

Das Energiesprektrum weist in mindestens einer Raumrichtung quantisierte Energiezustände auf. Man unterscheidet primär folgende Klassen niedrigdimensionaler Systeme:

kx und ky sind gute, d.h. kontinuierliche Quantumzahlen, das Energie-spektrum in z-Richtung ist dagegen quantisiert.

kx ist eine gute, d.h. kontinuierliche Quantumzahlen, das Energie-spektrum in y- und z-Richtung sind dagegen quantisiert.

Es gibt keine kontinuierliche Quantumzahlen mehr, das Energie-spektrum ist in x-, y- und z-Richtung quantisiert.

Es liegt ein künstliches Atom vor

Quantum Well

Quantum Wire

Quantum Dot

a)

b)

c)

Welche Abmessungen?

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Welche Abmessungen müssen derartige Halbleitersysteme aufweisen? Abschätzung durch Betrachtung der Unschärferelation:

mit m*= 0.1 me und E = 25 meV (d.h. kBT bei RT)

Das Ergebnis der Abschätzung zeigt:

Es werden Halbleiterstrukturen mit Abmessungen im nm-Bereich benötigt um dominate Quantisierungseffekte bei RT und somit neuartigen Bauelementen zu erhalten.

Halbleiter Nanostrukturen

Systeme mit mehr als einem besetzten Subband (oder Niveau) nennt man auch “quasi“ 2D, 1D, 0D.

Herstellung niedrigdimensionaler Systeme

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Die Herstellung niedrigdimensionaler Systeme stellt extrem hohe Anforderungen an die Halbleitertechnologie. Der Einschluss von Ladungsträgern ist in der Regel nur durch Einbringen mindestens einer Potentialstufe möglich.

Beispiele: a) Isolatoren – Halbleiter (SiO2 - Si) MOS-Struktur b) Halbleiter I – Halbleiter II (AlAs – GaAs) c) Vakuum – Halbleiter (InAs Oberfläche) d) Vakuum – He-Oberfläche

Alle genannten Systeme weisen scharfe Grenzflächen im Bereich dz < 1 nm auf. (d.h. die Grenzflächenrauigkeit ist sehr genau zu kontrollieren!)

Die größte technologische Bedeutung haben die Si - SiO2 – Grenzfläche (elektrische Bauelemente - CMOS) und die Heterogrenzflächen zwischen zwei unterschiedlichen Halbleitern (elektrische- und optoelektrische Bauelemente – z.B. FETs, LEDs, Laser, …). Nanostrukturen mit unterschiedlichen Bandlücken können so realisiert werden.

Bandlücke versus Gitterkonstante

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Heterostructures

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QW MQW SL

TD RTD

2. Technologische Realisierung

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2.1 Thermische Oxidation des Si Liefert äußerst defektarme Si-SiO2 Grenzflächen (Defektdichten im Bereich < 1010cm-2 möglich)

Die Barrierenhöhen ∆Ec und ∆Ev zwischen Si und SiO2 sowie q.ΘB zwischen dem Metall und SiO2 liegen im Bereich von 3 eV.

Elektrisch induzierte zweidimensionale Ladungsträgersysteme an der Si - SiO2 Grenzfläche möglich

Thermische Oxidation

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Thermische Oxidation

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2.2 Heteroepitaxie

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MBE Apparatus

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Compact 21 system

MBE (Molekularstrahlepitaxie)

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auf unterschiedlichem Substrat:

auf demselben Material als Substrat: Homoepitaxie

Heteroepitaxie

z.B. GaAs auf GaAs Substraten

z.B. ZnSe auf GaAs Substraten

Spezialvorlesung von Dr. Schikora (Dünne Schichten)

siehe auch:

MBE (Molekularstrahlepitaxie)

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Oberflächen dieser mit MBE hergestellten Schichten wachsen unter UHV Bedingungen, sodass sie ideal für Oberflächenuntersuchungen sind d.h. sie sind: a) rein b) monokristallin c) stoichiometrisch (Zusammensetzung kann durch Herstellung kontrolliiert werden)

Halbleitermaterialien: a) Si, Si/Ge, SiC b) III-V Halbleiter (GaAs, AlAs, InAs, ...GaP,InP, ..., InSb, GaSb,..., GaN, AlN, InN,.. und deren Mischungen) c) II-VI Halbleiter (ZnSE, ZnS, CdTe, ....) d) Bleisalze (PbS, PbSe, PbTe,...) .. MBE erlaubt Herstellung von atomar scharfen a) Heteroübergängen (HJ, QW, Superlattices,...) b) Dotierprofile (p-n Übergängen, nipi, δ-Dotierung,..) In-situ Analyse: a) RHEED b) RAS und Ellipsometrie c) X-ray ...

MBE

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MOCVD

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Aixtron 200 (Forschungsanlage) MOCVD ... Metall organic chemical vapor deposition

Gase sind meist Metallorganika

MOCVD – fundamental processes

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Einfaches schematisches Bild des GaAs Wachstumsprozesses mit unterschiedlichen Schritten

Fundamentale Prozesse die bei der MOCVD beteiligt sind

MOCVD - Reaktionen

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MOCVD

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Lithographie

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Lithographie

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Lithographie

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Lithographie

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Lithographie

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Lithographie

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Lithographie

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Lithographie

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Lithographie

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Focused Laser Beam

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MBE-Wachstum durch Schattenmasken

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MBE – Wachstum auf Spaltflächen

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Wachstum auf strukturierten Substraten

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MBE Wachstum auf strukturierten Substraten

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Selbstorganisation und Selbstordnung

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Wachstumsmoden

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(FvdM - Modus)

Wachstumsmoden

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(VW-Modus)

(SK-Modus)

Wachstumsmoden - SK

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Stapelbildung

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SK-Wachtums mit 3D-Ordnung

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